消防機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林土淦++劉學(xué)軍++劉存香

摘 要：針對(duì)救援、破障、逃生、避難的目的，采用了大功率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、視頻信號(hào)采集技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)、無(wú)線視頻信號(hào)傳輸與處理技術(shù)、傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)以及多自由度機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)，火源搜尋與滅火等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在出現(xiàn)嚴(yán)重危害公共安全的險(xiǎn)情或重大災(zāi)難事故時(shí)，在無(wú)線遙控和自動(dòng)控制下代替救援人員親臨險(xiǎn)情或?yàn)?zāi)難現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)時(shí)回傳惡劣環(huán)境的視頻圖像，并可以實(shí)行滅火，以及幫助救援人員獲取準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)信息，最大限度的減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失的目的。試驗(yàn)證明：所研制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行，為重大災(zāi)難狀況發(fā)生時(shí)的營(yíng)救工作提供了一種可行的解決措施，系統(tǒng)產(chǎn)品化后將具有廣闊的市場(chǎng)前景

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；救助系統(tǒng)；智能消防；電機(jī)控制；視頻回傳

0 引言

將機(jī)器人應(yīng)用于軍事、掃雷、排爆和消防等危險(xiǎn)作業(yè)中是當(dāng)今世界機(jī)器人研制的熱點(diǎn)。救災(zāi)機(jī)器人具有危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)，屬于危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人的一個(gè)分支，是機(jī)器人的一個(gè)新興發(fā)展領(lǐng)域。掃雷、排爆和消防等工作存在極大的危險(xiǎn)性，越來(lái)越多的國(guó)家考慮用機(jī)器人代替人去進(jìn)行危險(xiǎn)操作。救災(zāi)機(jī)器人是一類能在危險(xiǎn)環(huán)境中實(shí)施救援的機(jī)器人，其研究前景廣闊。

此外，中國(guó)煤礦大多數(shù)采用人工進(jìn)行開(kāi)采，存在諸多不安全因素，瓦斯、煤塵爆炸和火災(zāi)等災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，此類災(zāi)害事故危害嚴(yán)重，傷害人員多。然而，在發(fā)生煤礦事故時(shí)，我們無(wú)法第一時(shí)間進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域了解現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況，只能憑借有限的信息及事故類型確定救援方案。往往要使用機(jī)械設(shè)備將井道垃圾清除，并向井道下通風(fēng)后才能進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域搜救。這種救災(zāi)方式存在危險(xiǎn)性高、救援周期長(zhǎng)、效率低、傷亡人數(shù)多的缺點(diǎn)。未來(lái)在煤礦救災(zāi)這樣的危險(xiǎn)領(lǐng)域，將越來(lái)越多的用到機(jī)器人。

綜合比較了機(jī)器人的性能后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的機(jī)器人的功能比較單一，市場(chǎng)上缺少一種多功能的機(jī)器人，因此設(shè)計(jì)了一款智能消防機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了在出現(xiàn)嚴(yán)重危害公共安全的險(xiǎn)情或重大災(zāi)難事故時(shí)，在無(wú)線遙控和自動(dòng)控制下代替救援人員親臨險(xiǎn)情或?yàn)?zāi)難現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)時(shí)回傳惡劣環(huán)境的視頻圖像，并可以實(shí)行滅火，以及幫助救援人員獲取準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)信息，最大限度的減少人民的生命財(cái)產(chǎn)損失。

1 消防機(jī)器人的工作原理

機(jī)器人裝配有能夠360°自由旋轉(zhuǎn)的滅火器，能夠掃描四周環(huán)境并實(shí)時(shí)回傳的無(wú)線視頻采集系統(tǒng)。在工作過(guò)程中，當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到火源時(shí)，機(jī)器人停止移動(dòng)并利用滅火器滅火，在撲滅火源后繼續(xù)前進(jìn)尋找新的火源；當(dāng)機(jī)器人遇到緊急情況時(shí)，消防人員可根據(jù)無(wú)線視頻采集系統(tǒng)回傳的現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)遙控機(jī)器人做出前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、滅火等動(dòng)作；當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，其能夠360°自由活動(dòng)的機(jī)械手可將障礙物移開(kāi)，使機(jī)器人順利通行。機(jī)器人在無(wú)線遙控下行走的同時(shí)可以滅火和救人。機(jī)器人上安裝的機(jī)械手能夠在消防員無(wú)線遙控下將事故現(xiàn)場(chǎng)昏迷的人員轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域。攝像頭實(shí)時(shí)回傳的視頻便于消防人員了解現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、開(kāi)展救援。

智能消防機(jī)器人救助系統(tǒng)功能如下：

（1）在公共安全存在火災(zāi)險(xiǎn)情或發(fā)生重大火險(xiǎn)事故時(shí)，通過(guò)人工控制或自動(dòng)控制到達(dá)險(xiǎn)情或?yàn)?zāi)難現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)時(shí)回傳現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像的同時(shí)實(shí)施滅火，并搜尋幸存者，最大限度地降低人民生命財(cái)產(chǎn)損失；

（2）自動(dòng)搜尋火源并滅火；

（3）遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)運(yùn)行；

（4）具有超聲波測(cè)距功能，成功避障；

（5）清理障礙物；

（6）視頻數(shù)據(jù)采集回傳。

2 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與調(diào)速原理及其實(shí)現(xiàn)方式

2.1 消防機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)身設(shè)計(jì)

消防機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)身采用鋁型材，如圖1所示，框體由底盤、支撐立柱及四周的圍板構(gòu)成，在框體的基礎(chǔ)上安裝了攝像頭、照明燈、機(jī)械手、滅火器、控制電腦版等裝置。為避免智能消防機(jī)器人行走中出現(xiàn)卡阻的現(xiàn)象，使其運(yùn)行更加平穩(wěn)、順暢，本設(shè)計(jì)將機(jī)器人底盤設(shè)計(jì)為與地面平行的矩形。四個(gè)輪子在機(jī)身下方四角起到支撐作用，兩個(gè)大輪在前做為驅(qū)動(dòng)輪，由帶有減速器的兩臺(tái)直流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)；兩個(gè)小輪在后為轉(zhuǎn)向輪，可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)器人機(jī)身尺寸設(shè)計(jì)為：底盤35cm*25cm， 底盤高度10cm，該尺寸具有良好的通過(guò)性，有足夠的空間容納滅火器、電源、電機(jī)、控制電腦板等裝置。

2.2 視頻信號(hào)的采集

圖2為視頻信號(hào)的采集機(jī)構(gòu)，攝像頭受三個(gè)電機(jī)控制進(jìn)行抬頭、低頭、左看、右看、上升及下降運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)360°無(wú)死角視頻信號(hào)采集。三個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由單片機(jī)的輸出信號(hào)控制。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3為消防機(jī)器人控制系統(tǒng)，主要由無(wú)線發(fā)射控制模塊、無(wú)線接收控制模塊、小車行走控制模塊、攝像頭電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、機(jī)械手驅(qū)動(dòng)模塊及傳感器模塊構(gòu)成。

無(wú)線發(fā)射控制模塊是通過(guò)按鈕操作來(lái)控制智能消防機(jī)器人的各類動(dòng)作，控制距離可達(dá)500米。

如圖4所示為小車行走控制電路。電路中，超聲波傳感器用來(lái)檢測(cè)障礙物，通過(guò)超聲波感應(yīng)是否有障礙物以及障礙物的方向，把得到的信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)輸出信號(hào)至H橋驅(qū)動(dòng)控制電路控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的通斷電，控制驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)操作。

圖5為自動(dòng)尋找火源電路。通過(guò)五個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鞲袘?yīng)火源的存在，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換把感應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，信號(hào)傳給控制滅火器的單片機(jī)后，使滅火器單片機(jī)控制滅火器轉(zhuǎn)向火源并滅火。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖6為系統(tǒng)實(shí)物圖。試驗(yàn)中在火險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置了5個(gè)火源，使用無(wú)線遙控器控制機(jī)器人進(jìn)入火險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)后，將機(jī)器人切換至自動(dòng)行走模式。在距離火源1m處，本設(shè)計(jì)能夠發(fā)現(xiàn)火源，停在火源附近，并立即將滅火器對(duì)準(zhǔn)火焰進(jìn)行滅火。機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)障礙物后，實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)回傳的視頻看到現(xiàn)場(chǎng)情況，能夠使用無(wú)線遙控器控制機(jī)器人靠近障礙物，并準(zhǔn)確移開(kāi)障礙物，障礙清除后繼續(xù)行走。試驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集現(xiàn)場(chǎng)的溫度、有害氣體、煙霧數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)回傳到電腦上。

此外，試驗(yàn)證明系統(tǒng)具備以下功能：

（1）行走穩(wěn)定可靠，通過(guò)性良好，能夠成功避障；

（2）自動(dòng)搜尋火源并滅火；

（3）無(wú)線遙控下機(jī)器人反應(yīng)準(zhǔn)確靈敏；

（4）機(jī)械手動(dòng)作靈活，能夠清理障礙物；

（5）有足夠的空間裝配器材，如數(shù)據(jù)采集裝置、蓄電池、滅火器等；

（6）采集并回傳現(xiàn)場(chǎng)的視頻數(shù)據(jù)及各種環(huán)境數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本消防機(jī)器人救助輔助系統(tǒng)的研制成功，使信息傳送的遠(yuǎn)程控制變得可能。與同類產(chǎn)品相比，除具備無(wú)線遙控功能外，還具備視頻實(shí)時(shí)傳送、攝像頭6自由度控制、自動(dòng)尋找火源滅火、機(jī)械手破障救援等功能。利用虛擬儀器LabVIEW8.5 圖形編程語(yǔ)言編制的可視化程序，能將災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)信息發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)，消防人員通過(guò)視頻便可靈活操縱機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

基金項(xiàng)目：廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)資金資助項(xiàng)目。